開關(guān)電源是否穩(wěn)定，通過這張圖一目了然！
[導(dǎo)讀]磁性元件、變壓器、電容發(fā)出噪聲、直流紋波偏大、輸出電壓震蕩、功率器件過熱……電源研發(fā)設(shè)計時遇到的這些問題，往往是控制環(huán)路不穩(wěn)定引起的，伯德圖告訴你如何解決！??為什么要測環(huán)路？環(huán)路分析作為檢驗控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段之一，在許多應(yīng)用場合都有其相應(yīng)的應(yīng)用，在開關(guān)電源、運放反饋網(wǎng)絡(luò)中...
磁性元件、變壓器、電容發(fā)出噪聲、直流紋波偏大、輸出電壓震蕩、功率器件過熱……電源研發(fā)設(shè)計時遇到的這些問題，往往是控制環(huán)路不穩(wěn)定引起的，伯德圖告訴你如何解決！??為什么要測環(huán)路？環(huán)路分析作為檢驗控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要手段之一，在許多應(yīng)用場合都有其相應(yīng)的應(yīng)用，在開關(guān)電源、運放反饋網(wǎng)絡(luò)中，環(huán)路測試可以清晰準(zhǔn)確的測試出開關(guān)電源的穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，可以為電子工程師設(shè)計穩(wěn)定的控制電路提供直觀的數(shù)據(jù)參考。而環(huán)路分析的測量方式可以大大減少環(huán)路穩(wěn)定性的驗證周期，并且具備直觀的波形曲線圖顯示，方便觀察和分析。?圖1 AC-DC開關(guān)電源拓撲圖??環(huán)路分析測試原理環(huán)路分析可以掃頻或單頻點測試，掃頻測試的原理主要是給開關(guān)電源電路注入一個頻率變化的正弦信號，測量開關(guān)電源在頻域上的特性，通過分析穿越頻率、增益裕度和相位裕度來判斷環(huán)路是否穩(wěn)定，此外，還可以通過伯德圖顯示不同頻率下系統(tǒng)增益的大小和相位。在產(chǎn)品研發(fā)期間，工程師往往需要反復(fù)的修改和調(diào)試電路，此時環(huán)路分析可以提供直觀的數(shù)據(jù)對比，快速判斷系統(tǒng)是否達到穩(wěn)定狀態(tài)，增強工程師對產(chǎn)品設(shè)計的信心！?圖2 ZDS4000/3000系列環(huán)路分析界面??環(huán)路分析測試步驟1、搭建環(huán)路分析測試系統(tǒng)為了完成控制環(huán)路相應(yīng)的測試，需要將一個擾動信號（一定幅度和頻率范圍的掃頻正弦波信號或單一頻點正弦波信號）注入到控制環(huán)路的反饋路徑中，這個反饋路徑就是指R1和R2的電阻分壓器網(wǎng)絡(luò)。此外我們還需要將一個阻值很小的注入電阻插入到反饋環(huán)路中才能注入一個誤差信號。如下圖3.1中標(biāo)注的注入電阻為5Ω，注入電阻與R1和R2串聯(lián)阻抗相比是微不足道的，所以用戶可以考慮把這個低阻值注入電阻作為長久使用的測試器件。另外還需要使用一個隔離變壓器來隔離這個交流干擾信號，從而不產(chǎn)生任何的直流偏置。測試信號接線如圖3.1所示，通過示波器控制信號發(fā)生器輸出所需的頻率信號，經(jīng)過隔離變壓器后注入到注入電阻兩端，示波器同步使用X1衰減比的探頭進行測試，且在接地時盡量使用接地彈簧替代接地夾子。?圖3.1 環(huán)路測試信號接線2、參數(shù)設(shè)置完成接線后我們需要在ZDS4000/3000系列示波器上進行環(huán)路測試關(guān)鍵參數(shù)的配置：
- 注入通道：指連接注入基準(zhǔn)信號的通道，以該通道為當(dāng)前頻率的基準(zhǔn)；
- 輸出通道：指連接反饋輸出信號的通道；
- 測量選項：可選增益-相位、阻抗-相位、幅值-相位和THD-相位；
- 測量模式：可選擇掃頻或單點；
- 最小頻率：掃頻的最小頻率值，掃頻范圍最小值可選10Hz~20MHz；
- 最大頻率：掃頻的最大頻率值，掃頻范圍最大值可選100MHz~30MHz；
- 濾波使能：是否使能掃頻時開啟數(shù)字濾波；
- 濾波類型：當(dāng)使能濾波后，可選擇低通或帶通濾波；
- 截止頻率/中心頻率：低通濾波或帶通濾波的頻率設(shè)置；
- 十倍頻點數(shù)：設(shè)置信號發(fā)生模塊在對數(shù)下10倍頻點下的輸出的頻點個數(shù)，例如100Hz到1KHz之間的頻點個數(shù)；
- 輸出電壓：設(shè)置信號發(fā)生模塊的輸出電壓峰峰值；
- 輸出阻抗：設(shè)置信號發(fā)生模塊的輸出阻抗，需要與被測電路的阻抗匹配；
- 分段幅值：設(shè)置為ON時，可以當(dāng)前設(shè)置的掃頻范圍內(nèi)的每個10倍頻點進行幅值調(diào)節(jié)，如果設(shè)置為OFF，則統(tǒng)一使用一個幅值。
圖3.2 參數(shù)設(shè)置界面3、開始測試設(shè)置無誤后，可以通過示波器面板上【Run/Stop】按鍵或點擊菜單【運行停止按鈕】啟動測試，測試啟動后，界面會切換到環(huán)路掃頻運行界面，該界面會根據(jù)當(dāng)前采樣到的頻率、相位差、增益，不斷地自動繪制出頻率與相位、頻率與增益的動態(tài)曲線，并且根據(jù)曲線的范圍，自動調(diào)節(jié)顯示的垂直刻度。其中，藍色曲線為增益曲線，橙色曲線為相位曲線。如下圖3.3所示：?
圖3.3 掃頻測試運行界面??結(jié)果分析通過掃頻曲線伯德圖，可以直觀的看到整個頻率范圍內(nèi)的增益和相位變化趨勢，增益裕度（GM）和相位裕度（PM）信息顯示在掃頻界面的右上角，相位裕度（PM）是指增益穿越0dB時的相位值，增益裕度（GM）是指相位穿越0°的增益值，PM和GM是衡量開關(guān)電源穩(wěn)定的一個重要指標(biāo)。?圖4 實測掃頻曲線通過最終的掃頻曲線如何判斷系統(tǒng)是否穩(wěn)定？1、穿越頻率（增益為0dB時對應(yīng)的頻率）：建議為開關(guān)頻率的5%~20%；2、相位裕度（增益為0dB時對應(yīng)的相位）：要求一定要大于45°，建議45°~80°；3、穿越斜率（0dB附近）：要求為單極點穿越，一般是要去穿越斜率在-1左右，即-20dB/十倍頻；4、增益裕度（相位為0°時對應(yīng)的增益差）：建議大于10dB（注意，GM是正值，實際測量的增益值為負值，增益裕度 = 0bB – 測量值）。
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